论文部分内容阅读
摘 要：民用运输類飞机的应急电源通常由冲压空气涡轮RAT和直流蓄电池组成，应急电源的飞行试验是一项高风险科目，机组在试飞前需要对试验要点进行充分准备。本文对风险科目应急电源飞行试验前需要重点关注的系统工作特征、试验风险评估、以及机组资源管理等方面内容进行了探讨和研究，并通过实际飞行试验案例印证其重要性。
关键词：运输类飞机 适航 应急电源 RAT 试飞
中图分类号：V271.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0004-02
1 应急电源的系统概述
民用运输类飞机电源系统的设计中，飞机的电源系统包括直流电源、交流电源和应急电源。正常情况下，飞机各系统由左右发电机或APU发电机供电。当正常电源失效，且满足一定飞行状态的情况下，飞机将采用应急电源供电。通常应急电源包括冲压空气涡轮RAT和直流蓄电池。RAT利用冲压空气提供涡轮动力来带动发电机产生电能，为飞机提供115V、400Hz的三相交流电，并为直流蓄电池充电。
2 飞行试验的目的和内容
根据运输类飞机适航标准CCAR-25R4[1]，应急电源系统必须符合25.1301a，25.1309a、b、c、d、e，25.1351a、b、d，25.1353c，25.1363b等条款的要求，并通过飞行试验来标明符合。飞行试验的目的是考察RAT空中自动释放功能，以及RAT释放后应急电源的供电特性。建议飞行试验分为高高度和低高度情况两个架次开展，分别在不同高度和速度下考察RAT自动释放功能。RAT释放后在飞行中执行减速至1.2Vsr后改出，完成后以RAT供电状态返航着陆，在全程检查应急电源的供电特性[2-3]。
3 飞行试验的关注要点
飞行试验前，机组包括试飞员和试飞工程师需开展一系列准备工作，除了对试验目的和试验方法的把握，还需要了解飞机在应急供电状态下各系统的工作特性，风险评估结论和风险处置措施，开展必要的地面试验，并进行充分的机组协同。
3.1 飞机应急供电状态下各系统的工作特性
应急供电情况下，飞机各系统存在卸载和功能降级的情况。断开飞机主电源后受到影响的系统包括但不限于：电源、飞行控制、自动飞行、显示、通信、导航、燃油、液压、压调、防冰除雨、起落架、动力等系统。根据每个系统受影响的程度，需要在试飞中给予不同程度的关注。以下就飞行试验中与安全性密切相关的方面进行总结。
显示系统：驾驶舱仪表板将只剩下正驾驶一侧的两块显示器可用，将给飞行员操作飞机带来极大的工作负担。建议试飞中飞行员在一块显示器上监控飞行高度、速度、姿态等关键参数，以及航路环境等信息，在另一块显示器上监控发动机、燃油、飞机舵面、座舱高度等信息，以及飞机告警信息。但由于是电源系统的飞行试验，还需要时刻监控电源负载信息，以确定应急供电情况下飞机供电情况符合预期，因此，还需要间歇地切换至电源简图页，监控和记录数据。一个建议的方式是，在RAT自动释放以及稳定飞行期间，试飞员将一块显示切换至电源简图页，供电源试飞数据监控，依靠备用仪表来掌握飞机的关键飞行参数。
电源系统：应急供电情况下的电源包括RAT和直流蓄电池。RAT依靠空气流速驱动电机发电，按照RAT设计特征，当空速小于160节时，应急变压整流器ETRU失效，由蓄电池向重要直流汇流条供电，直至空速重新恢复至170节以上后恢复由RAT供直流电。蓄电池的设计容量通常能够为全机供电40min。试飞前应严格检查蓄电池容量，而试飞中空速小于160节的飞行时间应控制在30min左右，避免在飞机着陆前达到蓄电池供电时间上限。
压调系统：应急供电情况下压调系统将自动进入高原模式，如果飞机在大于8000ft的高度平飞时，座舱高度将保持8000ft。如飞机从平飞高度开始下降，下降过程中座舱高度将会随之与外界气压高度保持平衡。因此，在高高度试飞中，飞机从20000ft按应急程序下降后，座舱高度值会从8000ft开始上升至飞机真实气压高度，最大值将取决于飞机下降速度。考虑到座舱高度带来的缺氧可能导致机组反应能力下降等问题，试飞中建议在RAT释放之前将座舱增压置为人工位，允许飞行员手工控制座舱压力变化，同时在试验过程中压缩不必要的操作动作，按应急程序尽快使飞机下降到安全高度。
飞行控制和自动飞行系统：应急供电情况下的飞机的自动飞行、自动油门、自动配平、马赫数配平、偏航阻尼器，失速保护系统推杆等功能均丧失。同时，飞机的襟缝翼系统半速工作，并且行程受限。因此，试飞员需要在应急供电的全程手动把杆控制飞机，并尽量减少飞机做大姿态机动或小速度飞行，避免可能产生的不安全事件。试验中建议在关闭全机电源前将飞机调整到合适的空域，使飞机在后续飞行中能以合理的姿态和速度完成试验规定动作。
通信、导航系统：应急供电情况下飞机一侧的通信、导航系统将丧失功能。建议机组应预先选定可用侧的通信设备频率，并在甚高频通信备上设置应急通信频率。建议机组在执行科目时携带手持GPS，加强对飞机在空域中的位置感知，也能辅助了解飞行高度、速度和位置等关键信息。
着陆和滑行阶段：由于飞机着陆后反推无法使用，之后的滑行过程中前轮转弯和自动刹车不可用。因此，建议试飞员考虑上述问题，合理选择跑道和接地点，滑跑过程中也需要试飞员控制滑跑速度，采用其他方式转弯。
3.2 风险评估
由于试飞中需要关闭左右发电机并断开APU发电机，此时仅由RAT和直流蓄电池供电，再结合电源系统的安全性评估结果，RAT试飞科目被定义为一项高风险科目。识别出的风险包括：（1）RAT自动释放后供电中断；（2）RAT未正常释放到位，无法正常投入飞机电网。对产生风险的原因和可能导致的后果分析表明，飞机在丧失主电源和辅助电源供电的情况下，RAT未正常释放、应急电源无法正常供、电蓄电池电量不足都是潜在导致风险产生的原因。 根据以上识别出的原因制定了降低风险的措施：在地面试验中确认RAT自动释放功能正常；飞行前对RAT和蓄电池进行维护检查；飞行前对供电逻辑和电负载进行检查；飞行试验过程中进行实时监控飞机状态。
3.3 地面试验
在飞行试验前，首先开展一次RAT自动释放的地面模拟试验，可以有效地评估飞行试验中可能遇到的风险及应对措施。
地面试验的内容包括检查RAT自动释放功能是否正常，同时通过模拟RAT释放后飞机所处在应急电源供电环境，让飞行员熟悉驾驶舱环境、飞机工作状态以及练习应急处置程序等。此外，应当进行一次RAT手动释放试验，模拟空中RAT无法自动释放的环境下，机组如何通过手动模式释放RAT。
3.4 任务协同
执行试飞任务前，组织开展飞行机组的协调是常规且必要的程序。通常在机组协同过程中梳理整个试飞科目的流程、确认协同工作方式、明确安全责任、确定试飞准则、重申应急预案和应急作程序等，同时还要协调航管和气象，确认当天飞行的空域情况和气象环境。针对应急电源科目的特点，机组协同需重点明确以下几点。
（1）空域情况。由于是风险科目，要求机组熟悉试飞空域，并协调航管确保空域中的其他飞机避让。同时强调了机组在执行科目试飞过程中要有良好的飞行态势感知，既对飞机自身状态和飞机所处空域情况要时刻保持警惕。
（2）机组协同操作。由于应急供电情况下极大地增加了机组的工作负担，因此，要求机组严格按照前期协同的操作规范来执行科目，如正驾驶控制飞机，副驾驶持手持GPS监控空域。
（3）试验时间控制。机组应严格按照任务单要求执行科目，飞机进行应急供电以后要监控并控制试验进展时间，避免发生蓄电池耗尽而导致供电中断等意外情况。
（4）試验设备检查。试验前确认飞机各系统功能正常、确认蓄电池充电完成、确认携带上机的手持GPS工作正常等。
（5）试验判断和决策。机组尤其是试飞工程师应严格监控应急供电以后的飞机状态，发现异常后即刻喊话并合理处置，紧急情况下要果断决策终止试验，接通飞机电源，时刻把飞行安全放在第一位。
（6）着陆和滑行。注意着陆后飞机无反推功能，因此，将面临较长的着陆距离。
4 飞行试验的实施
某型国产飞机按照以上关注要点准备并开展了两架次应急电源飞行试验。实际实施中，第一架次试飞，飞机在5000ft高度调整着陆构型，保持170kn稳定平飞。依次关闭APU发电机和左右发电机使RAT自动释放。机组检查各级各系统工作情况及驾驶杆操纵情况，确认飞机状态之后调整构型，执行135～190kn之间的加减速飞行，随后增速至170kn，按全机断电应急程序返场着陆。飞机在减速过程中，在空速156KIAS时出现音响告警和ETRU FAIL和BATT DISCHARGE的CAS信息，说明RAT停止驱动发电机供电；空速恢复至172KIAS时告警消失，表明RAT恢复工作。试验过程中机组通过简图页确认RAT发电机能够稳定工作在115V、400Hz，飞机各系统工作符合预期。该架次应急供电状态下飞行时间控制在35min。
第二架次试飞，飞机在20000ft高度调整着陆构型，并保持124kn稳定平飞。依次关闭APU发电机和左右发电机，使RAT自动释放。机组设置座舱增压为手动，并检查各级各系统工作情况及驾驶杆操纵情况，确认状态之后，同样执行加减速飞行，随后飞机增速按全机断电的应急程序返场着陆。此架次飞机从20000ft应急下降过程中，座舱高度最高达到15000ft，机组感明显有不适感觉，并随即佩戴氧气面罩，直至座舱高度恢复正常。试验过程中机组检查飞机各系统工作符合预期。该架次应急供电状态下飞行时间控制在39min。
5 结语
高风险科目试飞前飞行前机组需要进行充足完备的准备工作，除了关注被测系统本身的试飞方法和工作特性，还需要关注受影响的其他飞机系统的运行状态，预想所有可能的突发事件，对试飞风险进行管控。应急电源科目试飞就是一个典型案例，机组在试飞前进行了充分的准备和协调，预期到试验过程中可能面临的一系列诸如飞行信息显示的缺失、通信导航功能的降级、座舱压力变化等问题，合理调配驾驶舱机组资源，保障了风险科目顺利完成，为飞机设计和飞行验证采集到了宝贵的数据，积累了丰富的经验。
参考文献
[1] 中国民用航空局.CCAR-25-R4，2016，运输类飞机适航标准[S].
[2] FAA AC 25.1362-1 Electrical Supplies for Emergency Conditions[Z].2007.
[3] FAA AC 25-7C Flight Test Guide for Certification of Transport Category Airplanes[Z].2012.
关键词：运输类飞机 适航 应急电源 RAT 试飞
中图分类号：V271.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0004-02
1 应急电源的系统概述
民用运输类飞机电源系统的设计中，飞机的电源系统包括直流电源、交流电源和应急电源。正常情况下，飞机各系统由左右发电机或APU发电机供电。当正常电源失效，且满足一定飞行状态的情况下，飞机将采用应急电源供电。通常应急电源包括冲压空气涡轮RAT和直流蓄电池。RAT利用冲压空气提供涡轮动力来带动发电机产生电能，为飞机提供115V、400Hz的三相交流电，并为直流蓄电池充电。
2 飞行试验的目的和内容
根据运输类飞机适航标准CCAR-25R4[1]，应急电源系统必须符合25.1301a，25.1309a、b、c、d、e，25.1351a、b、d，25.1353c，25.1363b等条款的要求，并通过飞行试验来标明符合。飞行试验的目的是考察RAT空中自动释放功能，以及RAT释放后应急电源的供电特性。建议飞行试验分为高高度和低高度情况两个架次开展，分别在不同高度和速度下考察RAT自动释放功能。RAT释放后在飞行中执行减速至1.2Vsr后改出，完成后以RAT供电状态返航着陆，在全程检查应急电源的供电特性[2-3]。
3 飞行试验的关注要点
飞行试验前，机组包括试飞员和试飞工程师需开展一系列准备工作，除了对试验目的和试验方法的把握，还需要了解飞机在应急供电状态下各系统的工作特性，风险评估结论和风险处置措施，开展必要的地面试验，并进行充分的机组协同。
3.1 飞机应急供电状态下各系统的工作特性
应急供电情况下，飞机各系统存在卸载和功能降级的情况。断开飞机主电源后受到影响的系统包括但不限于：电源、飞行控制、自动飞行、显示、通信、导航、燃油、液压、压调、防冰除雨、起落架、动力等系统。根据每个系统受影响的程度，需要在试飞中给予不同程度的关注。以下就飞行试验中与安全性密切相关的方面进行总结。
显示系统：驾驶舱仪表板将只剩下正驾驶一侧的两块显示器可用，将给飞行员操作飞机带来极大的工作负担。建议试飞中飞行员在一块显示器上监控飞行高度、速度、姿态等关键参数，以及航路环境等信息，在另一块显示器上监控发动机、燃油、飞机舵面、座舱高度等信息，以及飞机告警信息。但由于是电源系统的飞行试验，还需要时刻监控电源负载信息，以确定应急供电情况下飞机供电情况符合预期，因此，还需要间歇地切换至电源简图页，监控和记录数据。一个建议的方式是，在RAT自动释放以及稳定飞行期间，试飞员将一块显示切换至电源简图页，供电源试飞数据监控，依靠备用仪表来掌握飞机的关键飞行参数。
电源系统：应急供电情况下的电源包括RAT和直流蓄电池。RAT依靠空气流速驱动电机发电，按照RAT设计特征，当空速小于160节时，应急变压整流器ETRU失效，由蓄电池向重要直流汇流条供电，直至空速重新恢复至170节以上后恢复由RAT供直流电。蓄电池的设计容量通常能够为全机供电40min。试飞前应严格检查蓄电池容量，而试飞中空速小于160节的飞行时间应控制在30min左右，避免在飞机着陆前达到蓄电池供电时间上限。
压调系统：应急供电情况下压调系统将自动进入高原模式，如果飞机在大于8000ft的高度平飞时，座舱高度将保持8000ft。如飞机从平飞高度开始下降，下降过程中座舱高度将会随之与外界气压高度保持平衡。因此，在高高度试飞中，飞机从20000ft按应急程序下降后，座舱高度值会从8000ft开始上升至飞机真实气压高度，最大值将取决于飞机下降速度。考虑到座舱高度带来的缺氧可能导致机组反应能力下降等问题，试飞中建议在RAT释放之前将座舱增压置为人工位，允许飞行员手工控制座舱压力变化，同时在试验过程中压缩不必要的操作动作，按应急程序尽快使飞机下降到安全高度。
飞行控制和自动飞行系统：应急供电情况下的飞机的自动飞行、自动油门、自动配平、马赫数配平、偏航阻尼器，失速保护系统推杆等功能均丧失。同时，飞机的襟缝翼系统半速工作，并且行程受限。因此，试飞员需要在应急供电的全程手动把杆控制飞机，并尽量减少飞机做大姿态机动或小速度飞行，避免可能产生的不安全事件。试验中建议在关闭全机电源前将飞机调整到合适的空域，使飞机在后续飞行中能以合理的姿态和速度完成试验规定动作。
通信、导航系统：应急供电情况下飞机一侧的通信、导航系统将丧失功能。建议机组应预先选定可用侧的通信设备频率，并在甚高频通信备上设置应急通信频率。建议机组在执行科目时携带手持GPS，加强对飞机在空域中的位置感知，也能辅助了解飞行高度、速度和位置等关键信息。
着陆和滑行阶段：由于飞机着陆后反推无法使用，之后的滑行过程中前轮转弯和自动刹车不可用。因此，建议试飞员考虑上述问题，合理选择跑道和接地点，滑跑过程中也需要试飞员控制滑跑速度，采用其他方式转弯。
3.2 风险评估
由于试飞中需要关闭左右发电机并断开APU发电机，此时仅由RAT和直流蓄电池供电，再结合电源系统的安全性评估结果，RAT试飞科目被定义为一项高风险科目。识别出的风险包括：（1）RAT自动释放后供电中断；（2）RAT未正常释放到位，无法正常投入飞机电网。对产生风险的原因和可能导致的后果分析表明，飞机在丧失主电源和辅助电源供电的情况下，RAT未正常释放、应急电源无法正常供、电蓄电池电量不足都是潜在导致风险产生的原因。 根据以上识别出的原因制定了降低风险的措施：在地面试验中确认RAT自动释放功能正常；飞行前对RAT和蓄电池进行维护检查；飞行前对供电逻辑和电负载进行检查；飞行试验过程中进行实时监控飞机状态。
3.3 地面试验
在飞行试验前，首先开展一次RAT自动释放的地面模拟试验，可以有效地评估飞行试验中可能遇到的风险及应对措施。
地面试验的内容包括检查RAT自动释放功能是否正常，同时通过模拟RAT释放后飞机所处在应急电源供电环境，让飞行员熟悉驾驶舱环境、飞机工作状态以及练习应急处置程序等。此外，应当进行一次RAT手动释放试验，模拟空中RAT无法自动释放的环境下，机组如何通过手动模式释放RAT。
3.4 任务协同
执行试飞任务前，组织开展飞行机组的协调是常规且必要的程序。通常在机组协同过程中梳理整个试飞科目的流程、确认协同工作方式、明确安全责任、确定试飞准则、重申应急预案和应急作程序等，同时还要协调航管和气象，确认当天飞行的空域情况和气象环境。针对应急电源科目的特点，机组协同需重点明确以下几点。
（1）空域情况。由于是风险科目，要求机组熟悉试飞空域，并协调航管确保空域中的其他飞机避让。同时强调了机组在执行科目试飞过程中要有良好的飞行态势感知，既对飞机自身状态和飞机所处空域情况要时刻保持警惕。
（2）机组协同操作。由于应急供电情况下极大地增加了机组的工作负担，因此，要求机组严格按照前期协同的操作规范来执行科目，如正驾驶控制飞机，副驾驶持手持GPS监控空域。
（3）试验时间控制。机组应严格按照任务单要求执行科目，飞机进行应急供电以后要监控并控制试验进展时间，避免发生蓄电池耗尽而导致供电中断等意外情况。
（4）試验设备检查。试验前确认飞机各系统功能正常、确认蓄电池充电完成、确认携带上机的手持GPS工作正常等。
（5）试验判断和决策。机组尤其是试飞工程师应严格监控应急供电以后的飞机状态，发现异常后即刻喊话并合理处置，紧急情况下要果断决策终止试验，接通飞机电源，时刻把飞行安全放在第一位。
（6）着陆和滑行。注意着陆后飞机无反推功能，因此，将面临较长的着陆距离。
4 飞行试验的实施
某型国产飞机按照以上关注要点准备并开展了两架次应急电源飞行试验。实际实施中，第一架次试飞，飞机在5000ft高度调整着陆构型，保持170kn稳定平飞。依次关闭APU发电机和左右发电机使RAT自动释放。机组检查各级各系统工作情况及驾驶杆操纵情况，确认飞机状态之后调整构型，执行135～190kn之间的加减速飞行，随后增速至170kn，按全机断电应急程序返场着陆。飞机在减速过程中，在空速156KIAS时出现音响告警和ETRU FAIL和BATT DISCHARGE的CAS信息，说明RAT停止驱动发电机供电；空速恢复至172KIAS时告警消失，表明RAT恢复工作。试验过程中机组通过简图页确认RAT发电机能够稳定工作在115V、400Hz，飞机各系统工作符合预期。该架次应急供电状态下飞行时间控制在35min。
第二架次试飞，飞机在20000ft高度调整着陆构型，并保持124kn稳定平飞。依次关闭APU发电机和左右发电机，使RAT自动释放。机组设置座舱增压为手动，并检查各级各系统工作情况及驾驶杆操纵情况，确认状态之后，同样执行加减速飞行，随后飞机增速按全机断电的应急程序返场着陆。此架次飞机从20000ft应急下降过程中，座舱高度最高达到15000ft，机组感明显有不适感觉，并随即佩戴氧气面罩，直至座舱高度恢复正常。试验过程中机组检查飞机各系统工作符合预期。该架次应急供电状态下飞行时间控制在39min。
5 结语
高风险科目试飞前飞行前机组需要进行充足完备的准备工作，除了关注被测系统本身的试飞方法和工作特性，还需要关注受影响的其他飞机系统的运行状态，预想所有可能的突发事件，对试飞风险进行管控。应急电源科目试飞就是一个典型案例，机组在试飞前进行了充分的准备和协调，预期到试验过程中可能面临的一系列诸如飞行信息显示的缺失、通信导航功能的降级、座舱压力变化等问题，合理调配驾驶舱机组资源，保障了风险科目顺利完成，为飞机设计和飞行验证采集到了宝贵的数据，积累了丰富的经验。
参考文献
[1] 中国民用航空局.CCAR-25-R4，2016，运输类飞机适航标准[S].
[2] FAA AC 25.1362-1 Electrical Supplies for Emergency Conditions[Z].2007.
[3] FAA AC 25-7C Flight Test Guide for Certification of Transport Category Airplanes[Z].2012.